JP5813229B2 - 輻射型加熱炉における長尺物の加熱方法および輻射型加熱炉 - Google Patents

Description

本発明は、輻射型加熱炉(radiant heating furnace)、特に側壁(side wall)からの輻射熱(radiant heat)により炉内の長尺物(long object)を加熱する輻射型加熱炉において長尺物を加熱する方法およびその輻射型加熱炉に関する。

鋼製品の製造過程において、製品における機械的品質(mechanical quality)を保証したり、或いは引き抜き加工(drawing process)などの加工性を担保するために、種々の熱処理(heat treatment)が施される（例えば、特許文献１の背景技術を参照）。この熱処理には、該熱処理の目的、被熱処理材の形状や取り扱いなどに応じて、種々の形式の加熱炉が用いられている。すなわち、鋼管(steel pipe)、棒鋼(steel bar)および形鋼（shaped steel）などを典型例とする長尺物は、その寸法や形状からバッチ式の加熱炉(batch type heating furnace)で処理される場合が多い。

例えば、鋼管は、製品における機械的品質を最終的に保証するために、所定条件下にて加熱処理を施し、その後大気中での放冷(standing to cool)を経て出荷されるが、この加熱処理には、バッチ式の加熱炉(batch type heating furnace)が適用されている。

特開２００９−２０８１１２号公報

このバッチ式の加熱炉として、長尺の鋼管の軸長を十分に吸収する炉長を有する横長の箱形炉で、その横側面を構成する側壁内側にヒータ(heater)を設置し、これら側壁を介して熱エネルギー(thermal energy)を鋼管に供給する、輻射型加熱炉を用い、複数の長尺物を炉幅方向に並べて熱処理を行うと、全ての長尺材を均一に加熱することができないという問題が生じた。
そこで、本発明は、輻射型の箱形加熱炉に装入した複数本の長尺物に対して、均等な加熱履歴を与えて所期した熱処理を実現するための方途と、そこに用いる輻射型加熱炉について提供することを目的とする。

発明者らは、輻射型の箱形加熱炉における横側壁からの輻射熱が、炉内に装入した鋼管によって遮断され、炉床まで到達していないことが、上記した不均一加熱の主原因であることを見出した。

すなわち、図１にこの輻射型加熱炉の一例である箱型電気炉(box type electric heating furnace)を示すように、炉床(hearth part)１上の空間を四方から側壁２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂで囲み、この囲み空間を天井(top sheating)４にて一体に塞いで成り、長辺を構成する横側壁２ａおよび２ｂの内壁面(internal surface)にヒータ５を設置し、これら横側壁２ａおよび２ｂからの輻射熱にて炉内の鋼管６を加熱した。この箱型電気炉は、側壁２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂと天井４とが一体化されて、炉床１に対して蓋(cover)の役目を果たしている。すなわち、図１に示すように、炉床１上に鋼管６を配置したのち、側壁２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂと天井４とを炉床１に載置して炉床１上に閉鎖空間を形成することができる。ついで、横側壁２ａおよび２ｂからの輻射熱にて鋼管６を加熱し、所定の加熱が終了したならば、側壁２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂと天井４とを炉床１から持ち上げて、炉床１上の鋼管６を大気に曝すことにより鋼管６を大気放冷に供する。

なお、天井４にもヒータ５を埋設することは可能であるが、横側壁２ａおよび２ｂからの輻射熱が上昇する結果、天井４直下は十分に加熱されることから、省略した。一方、炉床上には酸化スケールなどが堆積し易く、炉床１にヒータを設けるとヒータの損傷が激しくなることから、炉床１にはヒータを設けなかった。

ここで、熱処理効率を確保するために炉内には複数本の鋼管６を装入して加熱した。その装入形態は、図２に炉の断面を示すように、炉床１に設置した台座７上へほぼ等間隔に並べて載置した。このような横並び配列の鋼管６を横側壁２ａおよび２ｂからの輻射熱にて加熱する場合、配列外側の鋼管６から順に輻射熱が供給されるが、横並び配列の中間に位置する鋼管６の特に隣接鋼管の影となる部分の加熱速度が遅くなり、さらにすべての鋼管６における炉床１との対面部分は輻射範囲になく、かつ炉床からの輻射も望めないため、より加熱速度が遅くなることがわかった。

上記したように、鋼管の加熱は、機械的品質を保証するために行われたり、種々の加工に先立つ前処理であったりと、鋼管の全周にわたり均等の加熱履歴さらには冷却履歴を経ることが必要であるところ、図２に示したように複数の鋼管６を配列して加熱を行うと所期した熱履歴を全ての鋼管に均等に与えられない。

そこで、発明者らは、輻射型の加熱炉に装入する複数本の長尺物の加熱炉内での配置を見直し、全ての長尺物に対して、横側壁２ａおよび２ｂからの輻射熱が供給され、さらに、炉床１からも輻射熱が供給されるようにすれば、全ての長尺物に対して均等な加熱履歴を与えて所期した熱処理を実現できることを着想し、本発明を導くに至った。
すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。

（１）横長の箱型炉の長辺を構成する、横側壁に沿って装入した複数の長尺物を、少なくとも前記横側壁からの輻射熱にて加熱するに当たり、前記長尺物を、前記箱型炉の横側壁から炉床の幅中心に向かって下り勾配となる配列として配置する輻射型加熱炉における長尺物の加熱方法。
（２）前記長尺物の配置は、隣り合う長尺物の軸芯(center core)を結ぶ線分の、炉床面に対する傾き角(inclination angle)Ｋが10°以上になる前記（１）に記載の輻射型加熱炉における長尺物の加熱方法。
ただし、ここでいう長尺物は、鋼管または棒鋼である。
（３）少なくとも最も横側壁側に近い長尺物と該長尺物に隣り合う長尺物の軸芯を結ぶ線分の、炉床面に対する傾き角Ｋが10°以上になる前記（１）に記載の輻射型加熱炉における長尺物の加熱方法。
ただし、ここでいう長尺物は、鋼管または棒鋼である。
（４）前記長尺物の配置は、隣り合う長尺物の相互間隔(distance)ｔが長尺物の直径の0.05倍以上である前記（１）〜（３）のいずれかに記載の輻射型加熱炉における長尺物の加熱方法。
ただし、ここでいう長尺物は、鋼管または棒鋼である。
（５）炉床上の空間を横長の箱体で区画し、長辺を構成する横側壁の内面にヒータを設置し、該横側壁からの輻射熱にて炉内に装入する複数の長尺物を加熱する箱型炉であって、前記長尺物を載置する複数の台座を、前記横側壁から前記炉床の幅中心に向かって下り勾配となる配列として配置する輻射型加熱炉。
なお、ここで、本発明に用いる輻射型加熱炉の熱源は、電気抵抗発熱体（電気ヒーター）、マッフルまたは、ラジアントチューブである。マッフルまたは、ラジアントチューブは、耐火物内あるいは管内で燃焼または電気抵抗発熱体を設け耐火物あるいは管を介し輻射熱で、処理品を加熱するものである。なお、炉内の雰囲気温度差（たとえば、炉の上部と下部の雰囲気温度の温度差）を均一にするために炉内にファンを設けてもよい。

本発明によれば、輻射型の箱型加熱炉に装入した複数本の長尺物に対して、均等な加熱履歴（thermal history）を与えて所期した熱処理を実現することができる。

輻射型の箱型加熱炉の概要を示す斜視図である。 箱型加熱炉における従来の鋼管配置を示す断面図である。 箱型加熱炉における本発明に従う鋼管配置を示す断面図である。 箱型加熱炉における本発明に従う鋼管配置を示す断面図である。 箱型加熱炉における本発明に従う鋼管配置を示す断面図である。 箱型加熱炉における本発明に従う鋼管配置を示す断面図である。 箱型加熱炉における本発明に従う鋼管配置を示す断面図である。 本発明の輻射型箱型加熱炉の概要を示す断面図である。 本発明の輻射型箱型加熱炉の概要を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の輻射型加熱炉における長尺物の加熱方法につき、長尺物が鋼管の場合を例に、詳しく説明する。
すなわち、図２と同様の炉断面を図３に示すように、炉内には複数本の鋼管６を装入して加熱するに当たり、複数本の鋼管６は、熱が輻射される横側壁２ａおよび２ｂから炉床１の幅中心Ｏに向かって下り勾配（downslope）となる、配列(arrangement)の下に配置することが肝要である。
ここで、横側壁２ａおよび２ｂから炉床１の幅中心Ｏに向かって下り勾配となる、配列とは、炉床１からの高さが、横側壁２ａまたは２ｂ側の鋼管６から幅中心Ｏ側の鋼管６へその鋼管の高さが、漸減する場合は勿論、少なくとも、最も横側壁２ａまたは２ｂ側に近い鋼管６と炉床１の幅中心Ｏに近い鋼管６との間に炉床１からの高さに高低差があればよい。
あるいは、別の表現で言うならば、横側壁２ａまたは２ｂ側から経路上にある各鋼管６に輻射熱が直接照射されるとともに炉床１への輻射熱が多くなるような配列が好ましい。より具体的には、最も横側壁２ａまたは２ｂ側に近い鋼管６の高さを可能な限り持ち上げて、その鋼管６の下を空けて、隣の鋼管の高さを徐々に下げてずらすことにより、輻射熱が、各鋼管に直接照射されるとともに、横側壁２ａまたは２ｂ側から炉床１への輻射熱が多くなるようにすることが好ましい。

ちなみに、図３に示す例は、横側壁２ａまたは２ｂ側の鋼管６から幅中心Ｏ側の鋼管６へその鋼管の高さが、漸減する場合である。
一方、少なくとも、最も横側壁２ａまたは２ｂ側に近い鋼管６と最も炉床１の幅中心Ｏに近い鋼管６との間に炉床１からの高さに高低差を設けた例としては、図４に示す鋼管配列が挙げられる。なお、図４には鋼管６の配置のみを示し、台座の図示は省略する。すなわち、図４の例は、最も横側壁２ａまたは２ｂ側に近い鋼管６ａと該鋼管６ａに隣り合う鋼管６ｂとの間には高低差がほとんどなく、鋼管６ａと幅中心Ｏに近い鋼管６ｃとの間には十分な高低差を有する、鋼管配置である。

かように、炉内における鋼管の配置を、横側壁２ａおよび２ｂから炉床１の幅中心Ｏに向かって下り勾配となる、配列とすることによって、横側壁２ａおよび２ｂから輻射される熱エネルギーは、その経路上にある各鋼管６に到達し、さらには炉床１にまで到達することになる。その結果、従来は輻射による熱エネルギーを受けていなかった、炉床１が新たに該熱エネルギーを受けて加熱されることになり、一旦加熱された炉床１からの輻射熱によって、従来は輻射熱を受けていない鋼管６の炉床１側の面も加熱されることになる。
さらに、上記の鋼管配置は、隣り合う鋼管６相互間で高低差を設けることから、この隣り合う鋼管６相互の間隔を従前の横並び配列の場合と比較して、より広い間隔に設定することができる。つまり、隣り合う鋼管６相互間で高低差を設けて配列した場合と、鋼管６を横並びに配列した場合とでは、横側壁２ａ、２ｂ間の距離が等しい場合には、高低差を設けて配列したほうが鋼管６相互間の間隔を広くすることができる。そして、この間隔を介して輻射熱を鋼管６へ導けるから、より効率的に鋼管の均等な加熱を実現できる。

ここで、鋼管を下り勾配となる配列の下に配置するに当たり、図３に示した、横側壁２ａまたは２ｂ側の鋼管６から幅中心Ｏ側の鋼管６へ漸減する配置がより好ましいが、その際の下り勾配の傾き、すなわち図３に示すように、隣り合う鋼管６の軸芯を結ぶ線分の、炉床１面に対する傾き角Ｋは10°以上とすることが好ましい。
なぜなら、10°未満では、隣り合う鋼管６相互の間隔を、鋼管を水平に横並び配列した場合に対してさほど大きくすることができず、また、横側壁２ａ、２ｂから輻射される熱エネルギーの炉床１までの到達度合いが小さくなり、鋼管６の炉床１側の面の加熱が不十分となり易いためである。

例えば、図５に示す鋼管配置は、このＫを隣接する鋼管６において一律に10°程度とした例であり、同様に、図６に示す鋼管配置は、このＫを隣接する鋼管６において一律に25°程度とした例である。
いずれの場合も、上記した炉床１に輻射熱を供給すること、隣り合う鋼管６相互の間隔を従前の横並び配列の場合と比較して広く設定可能になること、を実現できる。
なお、隣り合う鋼管６の軸芯を結ぶ線分の、炉床１面に対する傾き角Ｋは、大きければ大きいほど、各々の鋼管をより均一に加熱できるが、Ｋが、４５°を超えても、各々の鋼管に届く輻射熱の量は、変わらないばかりか、輻射加熱炉の天井が高くなるため、加熱が終了し、大気放冷する際に、側壁２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂと天井４とを炉床１から持ち上げる際のハンドリング処理が、より困難となるため、Ｋの上限値は、４５°以下が好ましい。より好ましくは、３０°以下である。

なお、図３や、図５および図６に示した例では、隣接する鋼管６間における傾き角Ｋが全ての鋼管６にて同じ場合であるが、例えば、図７に示すように、隣接する鋼管６間における傾き角Ｋが列によって異なっていてもよい。すなわち、最も横側壁２ａまたは２ｂ側の鋼管６ａと該鋼管６ａに隣り合う鋼管６ｂとの間における傾き角Ｋ_１が20°であり、該鋼管６ｂと幅中心Ｏに近い鋼管６ｃにおける傾き角Ｋ_２が10°となる、鋼管配置である。この場合も、上記した下り勾配の鋼管配列が実現するから、上記した炉床１に輻射熱を供給することができ、かつ隣り合う鋼管６相互の間隔を従前の横並び配列の場合と比較して広く設定可能になる。この場合において、いずれの隣接する列間の傾き角Ｋについても10°以上であることが好ましい。

また、図５−図７に示すように鋼管を下り勾配となる配列の下に配置するに当たり、隣り合う鋼管６の相互間隔ｔを鋼管の直径の0.05倍以上とすることが好ましい。なぜなら、この間隔を介して輻射熱を各々の鋼管６へ確実に導くには、少なくとも鋼管の直径の0.05倍以上の間隔ｔを確保することが好ましい。隣り合う鋼管６の相互間隔ｔが、鋼管の直径の0.05倍未満では、輻射熱源から隣の鋼管による影になる部分が生じ、輻射熱が届かず、各々の鋼管を均一に加熱することが困難になる。より好ましくは、隣り合う鋼管６の相互間隔ｔは、鋼管の直径の０．１倍以上である。隣り合う鋼管６の相互間隔ｔは、大きければ大きいほど、各々の鋼管をより均一に加熱できるが、隣り合う鋼管６の相互間隔ｔが、鋼管の直径の１．０倍を超えても、各々の鋼管に届く輻射熱の量は、変わらないため、隣り合う鋼管６の相互間隔ｔは、鋼管の直径の１．０倍以下が好ましい。より好ましくは、０．５倍以下である。

次に、上記した加熱方法に直接使用する加熱炉について、図８および図９を参照して説明する。
まず、図８に示す加熱炉は、図３に示した鋼管６の配置に対応させた、台座７を設置したものであり、これら台座７の相互位置を鋼管６の下り勾配配列に対応させて設置してなる。また、図９に示す加熱炉は、図４に示した鋼管６の配置に対応させた、台座７を設置したものであり、この例のように、１つの台座７に複数本の鋼管６を載置する構成としてもよい。なお、台座７は、各鋼管６宛に２〜３台程度を軸方向に等間隔に設置するとよい。

さらに、横側壁２ａおよび２ｂから輻射される熱エネルギーを炉床１に効率良く蓄熱するために、炉床１上にファイバーウール(fiber wool)などの横側壁２ａおよび２ｂから輻射される輻射熱で容易に加熱され、自身からも輻射熱を照射できるような熱容量の小さな蓄熱材（heat storage material）を敷き詰めることも有効である。
なお、上述した床材に用いた蓄熱材を天井４にも貼り付けると天井４からの輻射熱も利用できるので、より好ましい。

図１に示した輻射型加熱炉において、図２、図５および図６の鋼管配置の下に、熱処理（焼き戻し処理：780℃×0.5ｈ）を施した。ここで、鋼管には、Cr：9.0mass％、Mo：1.0 mass％、Nb：0.08 mass％およびＶ：0.2mass％を含み、残部がFeおよび不可避不純物の組成になる、鋼管Ａ：外径101.6mm×肉厚７mm×長さ12.0ｍおよび鋼管Ｂ：外径762mm×肉厚15mm×長さ12.0ｍを供した。

以上の熱処理を施してから各鋼管の周上12箇所の温度を測定し、その最低温度および最高温度との差を求めた。その測定結果について、表１に示す。

本発明において、長尺物は鋼管に限らず、棒鋼や型鋼など、長尺物の熱処理を確実に行うことが可能である。

１ 炉床
２ａ、２ｂ 横側壁
３ａ、３ｂ 側壁
４ 天井
５ ヒータ
６ 鋼管
７ 台座

Claims (5)

1. 横長の箱型炉の長辺を構成する、横側壁に沿って装入した複数の長尺物を、少なくとも前記横側壁からの輻射熱にて加熱するに当たり、前記長尺物を、前記箱型炉の横側壁から炉床の幅中心に向かって下り勾配となる配列として配置する輻射型加熱炉における長尺物の加熱方法。
2. 前記長尺物の配置は、隣り合う長尺物の軸芯を結ぶ線分の、炉床面に対する傾き角Ｋが10°以上になる請求項１に記載の輻射型加熱炉における長尺物の加熱方法。
   ただし、ここでいう長尺物は、鋼管または棒鋼である。
3. 少なくとも最も横側壁側に近い長尺物と該長尺物に隣り合う長尺物の軸芯を結ぶ線分の、炉床面に対する傾き角Ｋが10°以上になる請求項１に記載の輻射型加熱炉における長尺物の加熱方法。
   ただし、ここでいう長尺物は、鋼管または棒鋼である。
4. 前記長尺物の配置は、隣り合う長尺物の相互間隔ｔが長尺物の直径の0.05倍以上である請求項１〜３のいずれかの請求項に記載の輻射型加熱炉における長尺物の加熱方法。
   ただし、ここでいう長尺物は、鋼管または棒鋼である。
5. 炉床上の空間を横長の箱体で区画し、長辺を構成する横側壁の内面にヒータを設置し、該横側壁からの輻射熱にて炉内に装入する複数の長尺物を加熱する箱型炉であって、前記長尺物を載置する複数の台座を、前記横側壁から前記炉床の幅中心に向かって下り勾配となる配列として配置する輻射型加熱炉。